自动化专业英语考试版翻译

1、目录PART 12UNIT 1 2A 电路 2UNIT 22A 运算放大器 2PART 24UNIT 14A 控制的世界 4B 传递函数和拉普拉斯变换5UNIT 27B 稳态7PART 38UNIT 18B 计算机与网络基础8PART 49UNIT 19A 过程控制系统9B 过程控制的基本要素10UNIT 211B 终端控制元件和控制器11UNIT 312A P 控制器和 PI 控制器12B PID控制器和其它控制器14PART 1UNIT 1 A 电路 电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网

2、络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说，如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定义这些元件的电特性.就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为: u=iR (1-1A-1)式中 u=电压，伏特；i =电流，安培；R = 电阻，欧姆。纯电感电压由法拉第定律定义，法拉第定律指出：电感两端的电压正比于流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到：U=Ldi/dt 式中 di/dt = 电

3、流变化率， 安培/秒； L = 感应系数， 享利。 电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示为电荷增量dq的和或积分，因此得到的等式为 u= ， 式中电容量C是与电压和电荷相关的比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为i = dq/dt。因此电荷增量dq 等于电流乘以相应的时间增量，或dq = i dt， 那么等式 (1-1A-3) 可写为式中 C = 电容量，法拉。归纳式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和 (1-1A-4)描述的三种无源电路元件如图1-1A-1所示。注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降

4、的方向一致。有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2所示。分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第

5、一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是：假设有一个电流即所谓的回路电流流过电路中的每一个回 路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。考虑图1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流i ，那么回路总的电压降为 因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。或许在电路中，人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图1-1A

6、-1指出的用积分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7 UNIT 2 A 运算放大器   运算放大器像广义放大器这样的电子器件存在的一个问题就是它们的增益AU或AI取决于双端口系统(m、b、RI、Ro等)的内部特性。器件之间参数的分散性和温度漂移给设计工作增加了难度。设计运算放大器或Op-Amp的目的就是使它尽可能的减少对其内部参数的依赖性、最大程度地简化设计工作。运算放大器是一个集成电路，在它内部有许多电阻、晶体管等元件。就此而言，我们不再描述这些元件的内部工作原理。运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。在这里我们将详细研究

7、一个例子，然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个定律来进行分析。这两个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的情况下设计各种电路。因此，运算放大器对于在不同技术领域中需要使用简单放大器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是非常有用的。在电路和电子学教科书中，也说明了如何用运算放大器建立简单的滤波电路。作为构建运算放大器集成电路的积木晶体管，将在下篇课文中进行讨论。理想运算放大器的符号如图1-2A-1所示。图中只给出三个管脚：正输入、负输入和输出。让运算放大器正常运行所必需的其它一些管脚，诸如电源管脚、接零管脚等并未画出。在实际电路中使用运算放大器时，后者是必要

8、的，但在本文中讨论理想的运算放大器的应用时则不必考虑后者。两个输入电压和输出电压用符号U +、U -和Uo 表示。每一个电压均指的是相对于接零管脚的电位。运算放大器是差分装置。差分的意思是：相对于接零管脚的输出电压可由下式表示 (1-2A-1)式中 A 是运算放大器的增益，U + 和 U - 是输入电压。换句话说，输出电压是A乘以两输入间的电位差。 集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合 “芯片”上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“串联”以产生非常大的整体增益。也就是说，等式(1-2A-1)中的数A约为100,000或更多 (例如，五个晶体管放大器串

9、联，每一个的增益为10，那么将会得到此数值的A )。 第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗(Ro )非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。我们现在利用这些特性就可以分析图1-2A-2所示的特殊放大器电路了。首先，注意到在正极输入的电压U +等于电源电压，即U + =Us。各个电流定义如图1-2A-2中的b图所示。对图 1-2A-2b的外回路应用基尔霍夫定律，注意输出电压Uo 指的是它与接零管脚之间的电位，我们就可得到因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的，即I - =0

10、。那么对负输入端利用基尔霍夫定律可得 I1 = I2，利用等式(1-2A-2) ，并设 I1 =I2 =I ， U0 = (R1 +R2 ) I (1-2A-3)根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，可得负极输入电压U - ：因此  U - =IR1 ，并由式 (1-2A-3)可得： 因为现在已有了U+ 和U-的表达式，所以式(1-2A-1)可用于计算输出电压 ，综合上述等式 ，可得： 最后可得： 这是电路的增益系数。如果A 是一个非常大的数，大到足够使AR1 >> (R1 +R2)，那么分式的分母主要由AR1 项决定，存在于分子和分母的系

11、数A 就可对消，增益可用下式表示这表明 (1-2A-5b)，如果A 非常大，那么电路的增益与A 的精确值无关并能够通过R1和R2的选择来控制。这是运算放大器设计的重要特征之一 在信号作用下，电路的动作仅取决于能够容易被设计者改变的外部元件，而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意，如果A=100,000， 而(R1 +R2) /R1=10，那么为此优点而付出的代价是用一个具有100,000倍电压增益的器件产生一个具有10倍增益的放大器。从某种意义上说，使用运算放大器是以 “能量”为代价来换取“控制” 。对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析，但是这比较麻烦，并且存在一些非常有用的捷径，其涉及

12、目前我们提出的运算放大器两个定律应用。1) 第一个定律指出：在一般运算放大器电路中，可以假设输入 端间的电压为零，也就是说，2) 第二个定律指出：在一般运算放大器电路中，两个输入电流可被假定为零：I+=I-=0 第一个定律是因为内在增益A的值很大。例，如果运算放大器的输出是1V ，并且A=100,000, 那么 这是一个非常小、可以忽略的数，因此可设U+=U-。第二个定律来自于运算放大器的内部电路结构，此结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。  PART 2UNIT 1A 控制的世界 简介 控制一词的含义一般是调节、指导或者命令。控制系统大

13、量存在于我们周围。在最抽象的意义上说，每个物理对象都是一个控制系统。控制系统被人们用来扩展自己的能力，补偿生理上的限制，或把自己从常规、单调的工作中解脱出来，或者用来节省开支。例如在现代航空器中，功率助推装置可以把飞行员的力量放大，从而克服巨大的空气阻力推动飞行控制翼面。飞行员的反应速度太慢，如果不附加阻尼偏航系统，飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。自动飞行控制系统把飞行员从保持正确航向、高度和姿态的连续操作任务中解脱出来。没有了这些常规操作，飞行员可以执行其他的任务，如领航或通讯，这样就减少了所需的机组人员，降低了飞行费用。在很多情况下，控制系统的设计是基于某种理论，而不是靠

14、直觉或试凑法。控制系统能够用来处理系统对命令、调节或扰动的动态响应。控制理论的应用基本上有两个方面：动态响应分析和控制系统设计。系统分析关注的是命令、扰动和系统参数的变化对被控对象响应的决定作用。如某动态响应是满足需要的，就不需要第二步了。如果系统不能满足要求，而且不能改变被控对象，就需要进行系统设计，来选择使动态性能达到要求的控制元件。控制理论本身分成两个部分：经典和现代。经典控制理论始于二次大战以传递函数的概念为特征，分析和设计主要在拉普拉斯域和频域内进行。现代控制理论是随着高速数字计算机的出现而发展起来的。它以状态变量的概念为特征，重点在于矩阵代数，分析和设计主要在时域。每种方法都有其优

15、点和缺点，也各有其倡导者和反对者。与现代控制理论相比，经典方法具有指导性的优点，它把重点很少放在数学技术上，而把更多重点放在物理理解上。而且在许多设计情况中，经典方法既简单也完全足够用。在那些更复杂的情况中，经典方法虽不能满足，但它的解可以对应用现代方法起辅助作用，而且可以对设计进行更完整和准确的检查。由于这些原因，后续的章节将详细地介绍经典控制理论。  控制系统的分类和术语 控制系统可根据系统本身或其参量进行分类：  开环和闭环系统（如图2-1A-1）：开环控制系统是控制行为与输出无关的系统。而闭环系统，其被控对象的输入在某种程度上依赖于实际的输出。因

16、为输出以由反馈元件决定的一种函数形式反馈回来，然后被输入减去。闭环系统通常是指负反馈系统或简称为反馈系统。连续和离散系统：所有变量都是时间的连续函数的系统称做连续变量或模拟系统，描述的方程是微分方程。离散变量或数字系统有一个或多个只是在特殊时刻可知的变量，如图2-1A-2b，描述方程是差分方程。如果时间间隔是可控的，系统被称做数据采样系统。离散变量随机地产生，例如：为只能接受离散数据的数字计算机提供一个输入。显然，当采样间隔减小时，离散变量就接近一个连续变量。不连续的变量，如图2-1A-2c所示，出现在开关或乓-乓控制系统中。这将分别在后续的章节中讨论。线性和非线性系统：如果系统所有元件都是线

17、性的，系统就是线性的。如果任何一个是非线性的，系统就是非线性的。时变和时不变系统：一个时不变系统或静态系统，其参数不随时间变化。当提供一个输入时，时不变系统的输出不依赖于时间。描述系统的微分方程的系数为常数。如果有一个或多个参数随时间变化，则系统是时变或非静态系统提供输入的时间必须已知，微分方程的系数是随时间而变化的。集中参数和分散参数系统：集中参数系统是其物理性质被假设集中在一块或多块，从而与任何空间分布无关的系统。在作用上，物体被假设为刚性的，被作为质点处理；弹簧是没有质量的，电线是没有电阻的，或者对系统质量或电阻进行适当的补偿；温度在各部分是一致的，等等。在分布参数系统中，要考虑到物理特

18、性的连续空间分布。物体是有弹性的，弹簧是有分布质量的，电线具有分布电阻，温度在物体各处是不同的。集中参数系统由常微分方程描述，而分布参数系统由偏微分方程描述。确定系统和随机系统：一个系统或变量，如果其未来的性能在合理的限度内是可预测和重复的，则这个系统或变量就是确定的。否则，系统或变量就是随机的。对随机系统或有随机输入的确定系统的分析是基于概率论基础上的。单变量和多变量系统：单变量系统被定义为对于一个参考或命令输入只有一个输出的系统，经常被称为单输入单输出（SISO）系统。多变量（MIMO）系统含有任意多个输入和输出。控制系统工程设计问题 控制系统工程由控制结构的分析和实际组成。分析

19、是对所存在的系统性能的研究，设计问题是对系统部件的一种选择和安排从而实现特定的任务。控制系统的设计并不是一个精确或严格确定的过程，而是一系列相关事情的序列，典型的顺序是：1)被控对象的建模；2）系统模型的线性化；3）系统的动态分析；4）系统的非线性仿真；5）控制思想和方法的建立；6）性能指标的选择；7）控制器的设计；8）整个系统的动态分析；9）整个系统的非线性仿真；10）所用硬件的选择；11）开发系统的建立和测试；12）产品模型的设计；13）产品模型的测试。这个顺序不是固定的，全包括的或必要次序的。这里给出为后续单元提出和讨论的技术做一个合理的阐述。B 传递函数和拉普拉斯变换传递函数的概念如果

20、像式2-1B-1表示的线性系统的输入输出关系已知，则系统的特性也可以知道。在拉普拉斯域表示的输入输出关系被称做传递函数。由定义，元件或系统的传递函数是经拉氏变换的输出与输入的比值：此传递函数的定义要求系统是线性的和非时变的，具有连续变量和零起始条件。传递函数最适用于系统是集中参数和当传输延迟不存在或可忽略的情况。在这种条件下，传递函数本身可表示为拉普拉斯复数变量s的两个多项式的比值：对于物理系统，由于系统特性是积分而不是微分，所以N(s)的阶次比D(s)要低。后面我们将看到用于频域的频率传递函数，它是通过把传递函数中拉普拉斯变量s用jwt代换得到的。在式2-1B-2中，传递函数分母D(s)由于

21、包含系统中所有的物理特征值而被称做特征方程。令D(s)等于0即得到特征方程。特征方程的解决定系统的稳定性和对任一输入下的暂态响应的一般特性。多项式N(s)是表示输入如何进入系统的函数。因而N(s)并不影响绝对稳定性或者暂态模式的数目和特性。 在特定的输入下，它决定每一暂态模式的大小和符号，从而确定暂态响应的图形和输出的稳态值。对于一个闭环系统，其传递函数为：式中W(s)为闭环传递函数，G(s)H(s)称为开环传递函数，1+G(s)H(s)是特征函数。传递函数可以通过多种方法求得。一种方法是纯数学的，先对描述元件或系统的微分方程取拉普拉斯变换，然后求解得出传递函数。当存在非零起始条件时将之看作外

22、加输入对待。第二种方法是试验法。通过给系统加上已知的输入，测出输出值，通过整理数据和曲线得出传递函数。某子系统或整个系统的传递函数经常通过对已知的单个元件传递函数的正确合并而得到。这种合并或化简称做方块图代数。 拉普拉斯变换拉氏变换源于工程数学领域，广泛用于线性系统的分析和设计。常系数的常微分方程转变为代数方程可通过传递函数的概念实现。此外，拉氏域更适合于工作，传递函数容易处理、修改和分析。设计人员很快就会熟练地把拉普拉斯域的变化与时域状态联系起来而不需真地解系统方程（时域）。当需要时域解时拉氏变换法可直接使用。解是全解，包括通解和特解，初始条件被自动包含在内。最后，可以很容易从拉氏域转到频域

23、中去。变换拉氏是从傅立叶积分演变而来，它定义为： 这里F(s)是f(t)的拉氏变换。相反，f(t)是F(s)反变换，它们之间的关系可由下式表达，符号s表明拉氏变量是一个复数变量(s+jw)。因此，s有时表示复频，拉氏域称做复频域。由于式（2-1B-4）的积分是不定积分，因此不是所有函数都可以进行拉氏变换。幸运的是，系统设计者感兴趣的函数通常都可以。拉氏变换的使用条件、理论证明和其他用途可见于工程数学的标准著作中。式（2-1B-4）的定义可用来找到我们最常见和用到的函数的拉氏变换。为了方便，我们过去常建一个变换对的表，用于简化拉氏域变换和反变换。这里有几条拉氏变换的定理和性质，它们既必需也很有帮

24、助。 1.线性和叠加： 式中c和ci都是常数。 2. 微分和积分定理：对时间导数的拉氏变换可写为 式中f(0)， df(0)， 等是初始条件。如果初始条件为零，正如控制系统分析和设计的一般情况，最后的方程可缩减为： 积分的拉氏变换是 初始条件为零，它也可缩减为F(s)/s。 3. 初值和终值定理：初值定理表述为 在进行拉氏反变换时有用处。终值定理表述为 这里fss是f(t)的稳态值。 4. 平移定理：第一个平移定理表明 或 式(2-1B-6)表示在拉氏域内移动a个单位，变换后在时域内得到e-a倍。第二个平移定理表明这个定理在对延迟的输入和信号如传输滞后和由分析函数表示的连续输入很有用。建模 分

25、析技术需要数学模型。对于具有有限数目微分方程和用方块图代数表示的时不变线性系统的分析和设计，传递函数是一种方便的模型形式。从描述一个特定对象、过程或元件的微分或积分-微分方程，运用拉氏方程及其性质可以得到传递函数。我们可以通过一个简单的例子说明：图中输出电压uc由输入电压u激励。根据基尔霍夫定律，二者关系可写为下式运用定理，零初始条件的变换方程如下求解变换输出与输入的比，即得到系统的传递函数UNIT 2B 稳态稳态误差控制系统的设计目标是控制一个系统的动态性能，使之响应于命令或扰动。设计者应充分了解稳态方程和误差在整个过程中的作用，同时也应知道它们在被控对象动态性能上的影响。控制系统的精度是对

26、系统跟随控制命令情况的衡量尺度。它是一个重要的性能指标；一个导航系统，如果不能把航天器置于合适的轨道上，它的暂态响应再好也没用。精度通常是按可接受的对特定输入(Er)或扰动(Ed)的稳态误差而定的。误差e(t)定义为期望输出值r(t)和实际输出值c(t)的差。要注意，这里的误差并不一定是启动信号e(t)，除非是单位反馈系统。当系统的暂态结束后，误差e(t)成为稳态误差ess。根据终值定理，时域中的稳态误差可写作下式：指定输入的稳态误差对如图2-2B-1中的单位反馈系统，闭环传递函数如下式： 式中G=GcGp 是开环传递函数。指定输入的误差E为： 式中Gr(s)=1/1+G(s)是指定输入的误差

27、传递函数。对开环传递函数G(s)，设有如下的通用式子：在这个式子中：1) K 已知，在分子分母多项式中，以常数项出现，使分式单位化，即传递函数G的增益。它和下一节介绍的根轨迹增益不同，后者的最高次幂项的系数是单位值1。2) G的型数是整数n。分母中s因子代表着积分，型数就是G中积分环节的数目n。3) 增益，根据n的不同取值，通常的惯例，把下列名字和注解与K相联系。 n = 0:Kp = position error constant 位置误差常数 n = 1:Kv = velocity error constant 速度误差常数 n = 2:Ka = acceleration error co

28、nstant 加速度误差常数 式(2-2B-4)显示 ，结合等式(2-2B-3)，这样式(2-2B-1)可以写为：这样容易得到对应于不同型数和输入的稳态误差表2-2B-1。扰动误差实际系统也受非期望输入的影响，比如：控制命令中的噪声，设备运行时由于设备参数变化和运行环境变化引起的扰动。夹杂在控制命令中的噪声输入，需要用滤波技术除去或抑制，使之不影响控制输入本身。我们仅讨论在设备处进入系统的扰动，而不是从控制器中进入的，如图2-2B-2a。以干扰d作为主要输入的重画图如图2-2B-2b。由于系统是线性的，叠加定理成立，我们可以假定r为零。单位反馈系统的扰动传递函数可写作下式：将这个传递函数和d=

29、0的普通输入输出传递函数相比较，如同期望的，其特征方程是一样的，但是分子函数是不同的。因此可知扰动输入不会影响系统的稳定性，但是可以改变暂态响应的形状，并且它要引入到在测量整个系统精度所必须考虑的稳态误差。由于扰动而引起的输出的任何变化都是不希望发生的，扰动误差Ed就是它的实际输出Cd 系统总误差是输入误差和扰动误差的总和：同时减少误差的各方面因素通常是很困难的。很明显，了解一些关于干扰输入特性的知识是相当有必要的。在控制器中加一个积分器，可将式(2-2B-7)中两个误差项置为零。这个附加的积分增加了系统的型，消除了速度型误差。在扰动进入系统的入口处加上积分器，可以消除有扰动输入时阶跃信号引起

30、的稳态误差，如果要系统稳定，这个附加的积分器必须伴有至少一个零点。 PART3UNIT 1B 计算机与网络基础计算机系统的组成在说明了什么是计算机之后，让我们在来看一下计算机的定义：计算机是一种能接收、存储和处理数据，并能产生输出结果的快速、精确的符号加工系统，这一系统是在存储指令程序控制下工作的。本文说明为什么计算机是一个系统以及计算机是如何组成的。系统的主要部件包括输入设备、处理机和输出设备。现在详细介绍每一部件。输入设备计算机系统使用多种输入设备。其中有些输入设备直接进行人机通信，另一些则首先要求把数据记录在诸如磁性材料那样的输入介质上。常用的是读取以磁化方式记录在专门涂敷的塑料带或软盘

31、上的数据的输入设备。直接输入设备有与计算机的工作站直接连接或在线连接的键盘，以及鼠标器、输入器、触摸式屏幕和话筒等。不论使用哪种设备，所有这些都是人与计算机系统之间的解释和通信的部件。中央处理机中央处理机（CPU）是计算机系统的核心。一台典型计算机的CPU由三部分组成：主存储器部分、算术逻辑部分和控制部分。不仅个人计算机如此，各种规模的计算机的CPU都有这三部分。输出设备与输入设备类似，输出设备也是人与计算机系统之间的解释和通信的设备。输出设备从CPU中取出机器代码形式的结果，然后将其转换成（a）人们可读的形式（例如打印或显示报告）或（b）另一处理周期的机器输入。在个人计算机系统中，常用的输出

32、设备是显示屏和台式打印机。比较大型的计算机系统通常要配备更大、更快的打印机，多台在线工作站和磁带机。有时也将输入/输出设备和辅助存储器称为外围设备，这是因为这些设备不属于CPU，但又位于CPU附近。操作系统操作系统朝着两个主要目标已发展了三十多年。第一，为程序的开发和执行提供了一个方便的环境。第二，操作系统试图通过对计算任务的调度以确保计算系统的良好性能。操作系统必须确保计算机系统的正确操作。为避免用户程序影响系统的正常操作，对硬件进行修改以建立两种方式：用户方式和监控方式。各种指令（如I/O指令，HALT指令）被赋予特权，只能在监控方式中执行。监控程序存放在内存，同样业应避免用户对其修改。另

33、外采用一个时钟避免无限循环。这样，一旦基本的计算机系统发生了变动（两种方式，特权指令，存储器保护，时钟中断），仍有可能写出正确的操作系统。正如我们前面所说，操作系统对于生产它们的厂家及其运行的硬件环境通常是唯一的。一般，安装一台新计算机的同时购买了与该硬件相应的操作系统。用户需要有效地支持其处理任务的可靠操作软件。尽管各厂家的操作软件各不相同，但都具有类似的性能。现代硬件系统，由于其复杂性，需要有操作系统来满足某些特定的标准。例如，考虑到该领域的现状，操作系统应支持某种形式的联机处理。通常，与操作软件相关的功能有： 作业管理； 资源管理； I/O操作控制； 错误恢复； 存储器管理计算机网络分布

34、式计算机系统间需要进行通信有许多原因，例如在一个国家内，处于各地的计算机使用公共通信设施交换电子信息（邮件），从一个计算机向另一个计算机传送文件。 同样，在一个局部区域内，例如在一个大楼或机关内，分布式的计算机工作站间使用局部通信网络访问昂贵的共享资源，例如打印机、复印机、磁盘和磁带等，这些设备也由计算机管理。很明显，随着基于计算机的产品和相应的公共和局部通信网络的激增，计算机计算机通信也将得到迅速的发展，最终将在分布式系统中占统治地位。虽然相互通信的计算机间的实际距离因应用类型不同有很大变化，但一般来讲，任何一个计算机通信网络的核心数据通信设备，这些设备可以是PSTN，专用LAN或很多这种网

35、络的互联系统。但是如果不考虑数据通信设备的类型，那么为处理相应的与网络有关的协议，需在联网的计算机上配备很多硬件和软件。一般来讲这些都与跨网通信信道的建立，与通过该信道的信息流控制有关。提供这种设备仅是网络要求的一部分，但是在很多应用中，通信的计算机类型可以不同。这表面它们可以使用不同的编程语言，而更重要的是可以使用不同的操作系统，因而用户应用程序（通常叫做应用处理程序或AP）与基本通信服务程序之间的接口也不同。例如，一台计算机可能是小型单用户机，而另一台可能是大型多用户系统。PART4UNIT 1A 过程控制系统此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习。自动过程控制与持

36、续过程变量、温度、压力、流量、成分和期望操作值一类的量有关。正如我们在后续的章节中所看到的，过程本身是动态的。变化不断发生，并且如果激励未加入，重要的过程变量与安全有关的变量、产品质量和生产率将不能获得期望值。为了强化概念，让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器，其过程框图如图4-1A-1 此单元的目的是把一过程流从某一入口温度Ti(t)加热到某一期望出口温度T(t)。如前所述，热介质是浓缩流。只要对周围环境没有热损失，过程流所获得的能量等同于浓缩流释放的热量。也就是说，热变换器和管子均绝缘。在这种情况下，释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热。 在此过程中，有许多变量可变化，从而造成出口温度

37、偏离期望值。如果发生此情况，激励必须加入以更正此偏差。也就是说，激励将控制出口温度以维持其期望值。完成此目的的一种方法是首先测量温度T(t)，然后与期望值比较，基于此比较值，确定以什么来更正偏差。浓缩流的流量可用于更正偏差。也就是说，如果温度高于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节减少。如果温度低于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节增加。所有这些均可由操作者人工完成，并且如果过程简单明了，这将不成问题。然而，在大多数过程控制工厂中，均有数百个变量必须保持期望值，那么更正过程将需要大量的操作人员。因此，我们希望自动的完成此控制。这就是说，我们需要一些不用操作人员介入

38、就可控制这些变量的设备。这就是我们所说的自动过程控制。 为完成此目的，必须设计和实现控制系统。一种可能的控制系统和其基本元件如图4-1A-2所示。 首先是测量过程流的出口温度，完成此任务的是传感器（热电偶、阻抗温度仪、*系统温度计、电热调节器等）。传感器会与热敏电偶相连，热敏电偶从传感器采一输出点，并把其转换为足够强的信号传递给一控制器。控制器接受与温度相关的信号，并与期望值相比较。依赖于此比较值，控制器可确定怎样保持温度在期望值。基于此决定，控制器给终端控制元件传送另一信号，其反过来操作流量。 前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件。它们是： 传感器，通常称为主要元件。 热敏电偶，通常称为次

39、要元件。 控制器，控制系统的“脑”。 终端控制系统，经常为控制阀但不总是。一般其它终端控制元件为可变的速度泵、传送机和电动机。 这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三个基本操作。这些操作是： 测量（M ）：传感器和热偶电阻的组合元件经常测量被控变量。 设定（D ）：基于测量值，控制器决定怎样维持变量在期望值。 执行（A ）：作为控制器决定后的结果，系统必须采取一定的措施，通常有终端控制元件完成。如上所述，在每一个控制系统中这三个基本操作：M、D和A都会存在。在某些系统中，决定-执行操作相当简单，而在另一些系统中操作很复杂。工程人员设计控制系统时必须确保采取的措施要影响控制

40、变量，也就是说，采取的措施要影响测量值。否则，系统是不可控的且有可能弊大于利。B 过程控制的基本要素自动过程控制的重要术语目前，定义一些用于自动过程控制领域的术语是必要的。第一个术语是被控量，此变量必须维持或控制在某一期望值。在前面的例子中，过程出口温度T(t)是被控量。第二个术语是参考点，即被控量的期望值。操纵量是用于维持被控量处于期望值的变量，在上例中，流量是操纵量。最后，造成被控量偏离参考点的任何变量被定义为扰动或干扰。在大多数过程中存在许多不同的扰动。在图4-1A-2所示的热变换器的例子中，入口过程温度Ti(t)、过程流量q(t)、流能量的质量、周围环境、过程流体成分、阻塞等均可能是扰

41、动。在这里重要的是理解在过程控制工业中，大多数情况下，正是因为扰动的存在才需要自动过程控制。如果没有扰动，设计-操作情况将盛行，并且将没有必要不断监测过程。下面的附加术语也很重要。开环指的是控制器与过程开断的情况。也就是说，控制器并不决定怎样维持控制量在参考点。在开环控制中的另一个例子是控制器采取的措施（A）不能影响测量（M）。的确，这是控制系统设计的一个重大缺陷。闭环控制指的是控制器与过程连接，参考点与被控量比较并决定更正措施的情况。基于这些术语的定义，自动过程控制系统的对象可陈述如下：自动过程控制系统的对象是尽管有扰动存在，也可利用操作量来维持被控量在其设置值。 调节和伺服系统在一些过程中

42、，由于扰动，被控量偏离恒定的参考点。调节控制指的是设计的系统补偿扰动。在另一些情况中，最重要的扰动是参考点本身，也就是说，参考点可能是时间的函数（典型的是成批处理），因此被控量必须随参考点变化。伺服控制指的是控制设计的系统达到此目的。在过程控制工业中，调节控制远远比伺服控制更为普遍。然而，设计这两种控制的基本方法基本是一样的。因此自动过程控制中的很多原理对两者都适用。传输信号现在解释几个用于控制系统仪表间通讯的信号。目前，用于过程工业的信号主要有三类，气动信号或气压通常在3到15表压，6到30表压或3到27表压的信号也较常用到。在管系和仪表图（P&ID）中气压信号的一般表示符号为 。电

43、力或电子符号 通常在4到20毫安，10到50毫安的符号也常用到，此符号在P&ID中的一般表示符号为-。越来越普遍的第三类符号是数字的或抽象的符号（零一）。基于大型计算机、小型计算机和微处理器的过程控制系统的应用是强迫增强此类信号的应用。经常需要把一类信号变换为另一类信号，这由传感器完成。例如，可能需要把一个电信号，单位为毫安变换成一个气动信号，单位为表压，这由电流（I）-气动（P）传感器（I/P）。框图如图4-1B-1所示。 输入信号在4到20毫安之间，输出信号在3到15表压之间。其他传感器还有：气动-电流传感器（P/I），电压-气动传感器（E/P），气动-电压传感器（P/E）等等。

44、过程控制所需背景为使自动过程控制在实际中成功应用，工程师首先必须理解过程工程的原理，因此本单元假设读者熟悉热力学、流体流、热传送、分断过程、响应过程等的过程工程的基本原理。为了学习过程自动控制，理解怎样处理动态性能也是非常重要的，因此需要建立一套描述不同过程的方程，这就叫做建模。为了做到这一点，需要前面段落提到的基本原理知识和不同方程式的数学知识。在过程控制中，拉普拉斯变换应用非常广泛。这在很大程度上简化了微分方程的求解、过程的动态分析和其控制系统。学习和实践过程控制的另一个重要“工具”是计算机仿真。 建立描述过程的很多方程式本身是非线形的，因此，求解最精确的方法是运用数字方法，即计算机求解。

45、过程模型的计算机求解被称为仿真。UNIT2B 终端控制元件和控制器控制阀控制阀是最普遍的终端控制元件。在过程工厂中，控制阀被用于操纵流量，从而使控制量维持在设定值。在本节中，应用于过程控制的控制阀的许多重要方面被介绍。在管道过程系统中，控制阀作为可变阻尼，通过改变口的大小来改变流量阻尼和流量本身的大小。控制阀的作用就是调节流量。本部分介绍控制阀的作用（故障条件）、控制阀尺寸和它们的特点。选择控制阀时工程师必须回答的问题是：当能量传递到控制阀时，怎样做能使其失效。此问题涉及到阀门的失效点。回答此问题主要考虑或应该考虑的是可靠性。如果认为出于安全考虑，阀门应该关闭，那么必须指定“无信号则关”（FC

46、）的阀门，另一种可能是“无信号则开”（FO）的阀门，当能量提供失败时，此类阀门将打开，不再节流。大多数的控制阀是气动操作，因此，提供能量的是空气压力。无信号则关的阀门需要能量来打开，因此被指定为“气开”（AO）阀门。需要能量来关闭的无信号则开的阀门被指定为“气关”（AC）阀门。现在举例说明控制阀作用的选择。此例是如图4-2B-1所示的过程。 在此过程中，通过操作到达热交换器的蒸汽流来控制过程流的出口温度。问题是：当空气供应失败时，我们想让蒸汽阀做什么？如前所述，想让蒸汽阀到达最安全的情况。看上去最安全的情况可能是使蒸汽流停止的位置；也就是说，在不安全的操作中，不希望有蒸汽流过，这就意味着应该指

47、定出故障时自动关闭的阀门。在决定中，我们并没有考虑关闭阀门后不能加热流体的后果。在某些情况下，可能不会有什么问题，然而，在另一些情况下，就不得不考虑。另一个例子，考虑一个气体是维持某种聚合物温度的例子。如果蒸汽阀门关闭，在交换器中温度将下降，聚合物可能固化。在此例中，可能希望无信号则开阀门提供最安全的情况。注意，这一点很重要，在此例中仅仅考虑了热交换器周围的安全情况，这并不一定是最安全的全局操作，也就是说，工程师应从整个工厂着眼，而不是仅注意某一台设备。必须看到对蒸汽和过程流流过的热交换器和其他设备的影响。再说一遍，必须考虑整个工厂的安全。 反馈控制器此部分介绍最重要的工业控制器。强调了其参数

48、的物理意义，旨在理解其如何工作。此介绍对于气动电子控制器和大多数基于微处理器的控制器均适用。简单的说，控制器是控制回路的“脑”。如第一单元所述，控制器是控制系统中起决定作用的设备。为了做到这一点，控制器： 比较来自热敏电阻和控制器变量的过程信号和参考点 为了维持控制变量在其参考点，给控制阀或其他任何控制元件发送适当的信号考虑如图4-2B-1所示的热交换器的控制回路。如果热流的出口温度超过其参考点，控制器必须关闭蒸汽阀。由于阀门是气开（AO）阀，控制器必须降低其输出（气压或电流）信号（看图中箭头）。为了做到这一点，控制器必须设定为反作用。一些生产者把此作用指定为衰减，也就是说，控制器输入信号有一

49、增量，那么控制器的输出信号会产生一减量。考虑如图4-2B-2所示的平面控制回路。如果液面超过参考点，控制器必须打开阀门使液面返回到参考点（看表中箭头）。为做到这一点，控制器必须被设置为正作用，也就是说，在控制器的输入信号加一增量，那么控制器的输出信号会产生一增量。总之，为确定控制器的作用，工程师必须了解： 控制的过程要求。 控制阀或其他终端控制元件的作用。两个条件必须均考虑。读者会自问，平面控制器的正确作用是否是运用气关（AC）阀门或用入口流量代替出口流量来控制平面。在第一种情况下控制阀作用变化，而在第二种情况下，控制阀作用是控制变化的过程要求。控制器作用通常被设置为气动或电子控制器方面的开关

50、，或大多数基于微处理器的控制器方面的配置位。UNIT 3A P 控制器和 PI 控制器为了维持参考点，反馈控制器做出决定的方法是通过在被控量与参考点差别的基础上，计算输出。在本单元中，我们将通过描述其操作的公式着眼于最普通的控制器。比例控制器(P)除了在这里不考虑的开-断控制器，比例控制器是最简单的控制器，描述其操作的方程式如下： (4-3A-1) 或 (4-3A-2) 式中 控制器的输出，psig或mA 参考点，psig或mA 被控量，psig或mA，这是热敏电阻的信号。 误差信号，psig或mA，参考点与被控量的差别。 控制器增益， 或 偏差值，psig或mA，此值的意义在于它是误差为零时

51、的输出，在中比例的刻度控制器中，此值通常被设定为9 psig或12 mA。因为输入与输出范围是相同的（315 psig 或420mA），输入信号和输出信号以及参考点有时候也可用分数或百分数来表示。可以有趣的看到等式（4-3A-1）描述的是一个反作用控制器。如果控制器变量 c(t)，超过参考点r(t)，误差变负，并且等式表明控制器的输出 m(t)，下降。在数学上显示正作用控制器的一般方法是使控制器的增益Kc为负。然而，必须牢记，在工业控制器中没有负增益，只有正增益。反/正开关可以做到这一点。当做正作用控制器的控制系统的数学分析时，负增益Kc被使用。等式（4-3A-1）和等式（4-3A-2）表明控

52、制器的输出正比于参考点和被控量间的误差。比例由控制器的增益Kc给出。此增益或控制器的灵敏度决定对于给定的误差变化，控制器输出的变化程度。如图4-3A-1所示。纯比例控制器的优点是只需整定一个参数Kc，然而，它有一个很大的缺点，就是用偏移量或“稳态误差”来操作被控量。为用图表表明此偏移量，考虑如图4-2B-2所示的液面控制回路，假设设计条件为 和 ，再假设为了使出口阀超过150gpm，作用其上的空气压力为9 psig。如果入口流量增加，纯比例控制器的系统的响应如图4-3A-2所示。控制器使被控量回到稳定值，但此值不是期望参考点。被控量的参考点和稳定值间的差别就是偏差。图4-3A-2显示了对应于两

53、个不同整定参数Kc 的两条响应曲线，数据表明Kc值越大，偏差越小，但过程响应越振荡。然而，对于大多数过程，Kc有最大值，超过此最大值，过程将不稳定。增益最大值的计算我们称之为极限增益Kcu。为得到纯比例控制器的传递函数，等式（4-3A-1）写成定义如下的两个偏差量： (4-3A-3) (4-3A-4) 那么用拉普拉斯变换得到如下的传递函数：简单的说，纯比例控制器是仅有一个整定参数的最简单Kc或PB的控制器。此控制器的缺点是在控制器变量中用偏差操作。在象调压槽似的一些过程中，可能不会有严重的后果。在过程被控制在参考点上下范围内的情况下，纯比例控制器就足够了。然而，在过程必须控制在参考点的情况下，

54、纯比例控制器就不能提供满意的控制。比例-积分控制器(PI)大多数的过程不能用偏差控制，也就是说，它们必须被控制在参考点，在这些情况下，纯比例控制器中必须加入额外的信息以消除偏差，新的信息或新型控制是积分或复位作用，因此，控制器成为比例-积分控制器（PI）。等式描述如下：或 (4-3A-6) 式中 积分或复位时间，分钟/次因此，PI控制器有两个参数Kc和，这两个参数必须被调整以获得满意的控制。为了理解复位时间的物理意义，考虑如图4-3A-3所示的假设的例子。 是控制器重复比例作用的时间，因此单位是分钟/次。 值越小，响应曲线越陡，这就意味着控制器响应越快。解释这一点的另一种方法是查看等式（4-3

55、A-6）， 值越小，积分前的项越大，因此，积分或复位作用的权越大。从式中，我们注意到只要误差项存在，控制器就会不断改变其输出，从而通过对误差积分来消除误差。记住，积分也意味着求和。为得到PI控制器的传递函数，式（4-3A-6）描述如下： 利用式（4-3A-3）和（4-3A-4）给出的偏差的相同的定义，采用拉普拉斯变换，重新排列得到：总之，比例-积分控制器有两个参数：增益或比例带，复位时间或复位速率。此类控制器的优点是积分或复位作用消除偏差。B PID控制器和其它控制器比例-积分-微分控制器 (PID)有时候另一种控制加在了PI控制器上，这种新的控制是微分作用，也称为比率作用或超前。它的目的是预料过程率先查看误差变化的时间速率，即微分。描述等式如下： (4-3B-1)式中 微分或比率，时间单位为分钟因此，PID控制器有三个参数Kc 或PB, 或 和 ，必须整定这三个参数来达到满意的控制。注意：只有一个微分整定参数 ，对于生产者，它有相同的单位：分钟。如上所述，微分作用是